RU2768217C1

RU2768217C1 - Способ адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами

Info

Publication number: RU2768217C1
Application number: RU2021118291A
Authority: RU
Inventors: Михаил Леонидович Артемов; Олег Владимирович Афанасьев; Михаил Павлович Сличенко; Михаил Юрьевич Ильин; Екатерина Сергеевна Артемова
Original assignee: Акционерное общество Концерн Созвездие
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2022-03-23

Abstract

Использование: изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиомониторинга для решения задач обнаружения радиосигналов неизвестной формы в условиях внешних помех с неизвестными параметрами. Сущность: в способе адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами вводят дополнительный этап при обнаружении радиосигнала (этап адаптации), обеспечивающий учет параметров распределения наблюдаемых данных в случае приема радиосигнала на фоне шума и помех с неизвестными параметрами. Технический результат: повышение вероятности правильного обнаружения сигнала при фиксированной вероятности ложной тревоги, за счет совместной обработки данных, принимаемых на этапах адаптации и обнаружения. Это позволяет выполнять адаптивное к априорно неизвестным параметрам шума и помех обнаружение радиосигнала с фиксированной вероятностью ложной тревоги. 6 ил.

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиомониторинга для решения задач обнаружения радиосигналов неизвестной формы в условиях внешних помех с неизвестными параметрами.

Решение задачи обнаружения радиосигналов имеет первостепенное значение во многих практических приложениях теории статистической радиотехники, так как именно показатели эффективности обнаружения имеют доминирующий характер влияния на показатели эффективности функционирования системы радиомониторинга в целом.

При известной форме (законах модуляции амплитуды и фазы) обнаруживаемого сигнала и интенсивности аддитивного гауссовского белого шума (с постоянной спектральной плотностью мощности в пределах полосы частот радиосигнала) статистически оптимальным является применение согласованного приемника либо коррелятора, передаточная характеристика тракта которого согласована с параметрами обнаруживаемого сигнала. Решение задачи обнаружения сигнала известной формы с известными параметрами лежит в основе широко разработанной теории оптимального радиоприема [1]. Кроме того, как правило, предполагается известной ширина полосы частота спектра сигнала и его центральная частота; при этом оптимальный приемник обеспечивает прием радиосигнала в полосе частот, согласованной со спектром сигнала, и осуществляет обработку сигнала, оптимальную относительно закона и параметров модуляции.

Однако, в большинстве практических задач радиомониторинга форма (закон модуляции) обнаруживаемого сигнала, а также его центральная частота и ширина спектра являются априорно неизвестными, ввиду чего в таких случаях на практике не представляется возможным использовать напрямую основные результаты работ в области теории оптимального приема сигналов.

Для случая обнаружения сигнала неизвестной формы (но, вместе с тем, априорно известной полосы частот, занимаемой спектром сигнала) предложено использовать энергетический приемник, структура которого включает последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор и интегратор [2]. В отличие от оптимального приемника, энергетический приемник позволяет обнаруживать сигналы неизвестной формы по результатам сравнения их энергии с пороговым уровнем, как правило выбираемым по критерию Неймана - Пирсона и обеспечиваемым фиксированное значение вероятности ложной тревоги. К преимуществам такого приемника следует отнести то его свойство, что он позволят преодолеть характерную для практики радиомониторинга априорную неопределенность относительно формы сигнала, т.е. закона его модуляции.

Основными недостатками такого энергетического приемника, наличие которых существенным образом ограничивает возможность его применения для решения задачи адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами, являются следующие.

1. Предложенная в [2] структура приемника предполагает, что ширина спектра сигнала известна, что в большинстве случаев на практике не является оправданным предположением.

Реализовать поиск сигналов по частоте возможно путем перестройки входного фильтра энергетического приемника. Однако, это позволит настроится лишь на центральную частоту сигнала, но для согласования с сигналом частотных параметров фильтра приемника необходимо иметь информацию о ширине полосы частот спектра сигнала, которая как правило отсутствует.

2. Следует учитывать, что наряду с неизвестной формой сигнала и шириной его спектра во многих практических ситуациях априорной неизвестной является интенсивность аддитивного шума, сопровождающего прием радиосигнала. Неизвестная интенсивность шума приводит к принципиальной невозможности реализации способа [2] с расчетом порога обнаружения, обеспечивающего постоянную вероятность ложной тревоги, что неизбежно приводит к ложным обнаружениям и пропускам сигналов.

3. Энергетический приемник, структура которого представлена в [2], является одноканальным. Однако, большинство систем радиомониторинга имеют несколько пространственно разнесенных каналов приема. Именно пространственно-разнесенный радиоприем обеспечивает новые возможности по обнаружению сигналов. Так, несмотря на отсутствие априорной информации о форме (законах амплитудной и фазовой модуляции) сигнала источника радиоизлучения, возможность пространственно разнесенного приема сигналов позволяет учесть дополнительное различие сигналов и помех. Данное различие состоит в том, что сигнальная составляющая характеризует распределение амплитуды и фазы поля принимаемой радиоволны по раскрыву многоканальной приемной антенной системы. Шумовая составляющая не имеет данного представления, а ее компоненты в пространственно разнесенных пунктах приема имеют случайные амплитуды и фазы, не обусловленные падением некоторой радиоволны с плоским волновым фронтом. Учет данного различия позволит дополнительно повысить эффективность обнаружения радиосигналов.

Однако, непосредственным развитием представленной в [2] структуры энергетического приемника на случай многоканальной системы радиомониторинга может являться структура, соответствующая независимому использованию энергетических приемников в каждом пространственном канале многоканальной системы радиомониторинга. Но такая структура не обеспечит учет описанных выше преимуществ, обеспечиваемых пространственно-многоканальной системой радиоприема.

В случае, когда интенсивность аддитивного гауссовского шума неизвестна, задача обнаружения радиосигнала предполагает выполнение специализированной процедуры адаптации – оценки неизвестного параметра обстановки с целью стабилизации показателей эффективности обнаружения. Так, в [3] предложен способ преодоления указанной априорной неопределенности относительно формы обнаруживаемого сигнала и интенсивности шума, включающий выполнение двух этапов: этапа адаптации и этапа обнаружения.

Этап адаптации предполагает выполнение оценки неизвестной интенсивности шума на интервале времени, в течение которого отсутствует обнаруживаемый сигнала, (а также любые другие излучения источников радиосигналов). Полученная оценка используется вместо истинного значения величины дисперсии шума, входящей в решающую статистику энергетического обнаружителя. Решающая статистика адаптивного энергетического обнаружения позволяет выбрать (в соответствии с критерием Неймана-Пирсона) порог обнаружения, не зависящий от величины априорно неизвестной интенсивности шума, что обеспечивает стабилизацию вероятности ложной тревоги. При этом показатели эффективности такого обнаружителя зависят от относительного времени адаптации – безразмерной величины, равной отношению длительностей интервалов времени обнаружения и адаптации.

Основными недостатками указанного способа, ограничивающими возможность его использования для решения задачи адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами, являются следующие.

1. Изложенные выше недостатки 1 и 3 способа [2], а именно:

- структура приемника предполагает, что ширина спектра сигнала известна, что в большинстве случаев на практике не является оправданным предположением; для согласования с сигналом частотных параметров фильтра приемника необходимо иметь информацию о ширине полосы частот спектра сигнала, которая, как правило отсутствует;

- непосредственным развитием структуры представленного в [3] адаптивного энергетического приемника на случай многоканальной системы радиомониторинга может являться структура, соответствующая независимому использованию адаптивных энергетических приемников в каждом пространственном канале многоканальной системы радиомониторинга. Но такая структура не обеспечит учет описанных выше преимуществ, обеспечиваемых за счет пространственного разноса приемных антенн многоканальной системы радиомониторинга.

2. Для реализации способа необходимо определить интервал времени адаптации, на котором в течение всего времени адаптации будет гарантированно отсутствовать не только обнаруживаемый полезный сигнал, но и любое другое излучение внешних для системы радиомониторинга источников. Однако выполнение данного условия на практике трудно контролируемо и весьма трудно реализуемо в реальных условиях насыщенной электромагнитной обстановки.

3. Способ основан на выполнении двухэтапной процедуры, заключающейся в оценивании интенсивности шума на этапе адаптации и подстановки оценки в качестве истинного значения интенсивности шума на этапе обнаружения. Однако указанная процедура в общем случае не предполагает проверки того, насколько оценка интенсивности шума соответствует истинному значению.

4. В основе способа лежит предположение о том, что истинное значение интенсивности шума остается неизменным, по крайней мере в течение интервала времени, прошедшего с момента окончания интервала адаптации и до момента обнаружения сигнала. В реальных условиях в общем случае интенсивность шума может изменяться со временем ввиду множества причин, в результате чего степень актуальности полученной на интервале адаптации оценки со временем уменьшается, и как следствие ухудшаются показатели эффективности обнаружения.

Известны способы, в соответствие с которыми задачу многоканального энергетического обнаружения зачастую решают методом декомпозиции, рассматривая систему из нескольких невзаимосвязанных обнаружителей, работающих параллельно во времени. Например, в [4, 5] данным методом решается задача энергетического обнаружения сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Фильтр каждого канала обнаружителя настроен на свой частотный диапазон, соответствующий частотам группового набора. При этом под многоканальным энергетическим обнаружением понимается обнаружение радиосигнала в каждом канале системы и формирование окончательного решения о наличии сигнала в соответствии с некоторым решающим правилом.

Основными недостатками указанных способов многоканального энергетического обнаружения являются следующие.

1. В общем случае использование системы из нескольких невзаимосвязанных работающих параллельно во времени энергетических обнаружителей не является адекватным структуре реальной пространственно многоканальной системы радиомониторинга, в частности при обнаружении неизвестного сигнала многоканальной системой, выходы антенной системы которой подключены ко входам многоканального радиоприемника с взаимно синфазными каналами. Зачастую характеристики антенной системы в реальных условиях ее функционирования также являются неизвестными, а наличие шумовых эфирных излучений приводит к необходимости их учета при синтезе структуры обнаружителя. В этом случае формирование решающей статистики многоканального обнаружителя указанным способом без учета внешних помех неадекватно реальной сигнально-помеховой обстановке, характерной для практики радиомониторинга, что приводит к ухудшению характеристик многоканального обнаружения сигналов.

2. Указанные способы не обеспечивают адаптивное изменение уровня порога обнаружения в зависимости от характеристик меняющейся сигнально-помеховой обстановки, что в реальных условиях ведения радиомониторинга может привести к появлению пропусков сигнала и ложным обнаружениям.

Известен также способ оценочно-компенсационного обнаружения сигналов с неизвестной формой на фоне гауссовского шума с неизвестной интенсивностью [6-9], заключающийся в одновременном раздельном измерении в канале обнаружения средней мощности (дисперсии) совокупного шума (помехи) и средней мощности сигнала при их совместном наличии в нем.

Принцип функционирования такого обнаружителя предполагает получение оценки неизвестной средней мощности (дисперсии) совокупных шумов (помех) в канале обнаружения на выходе вычитающего устройства модуля оценки мощности помехи на основе различия в значениях средних мощностей шума на выходе автокорреляционного и корреляционного измерительных каналов. Это позволяет осуществлять в масштабе времени, близком к реальному, адаптивную компенсацию измеренного значения средней мощности (дисперсии) совокупных шумов (помехи) методом вычитания ее из суммарной средней мощности аддитивной смеси сигнала и совокупных шумов в канале обнаружения независимо от наличия сигнала. После этого полученное значение сравнивается с уровнем порога обнаружения, заданным по критерию Неймана-Пирсона в соответствии с требуемыми значениями вероятностей ложной тревоги.

Преимуществом способа оценочно-компенсационного обнаружения относительно ранее указанных является то, что он позволяет обеспечить постоянство заданного значения вероятности ложной тревоги за счет адаптивного изменения уровня порога обнаружения, основанного на одновременном измерении

- средней суммарной мощности аддитивной смеси сигнала и шума (помехи), и средней мощности шума и/или помехи в каждом частотном канале обработки;

- мощности совокупных помех (при наличии прицельной помехи) в каждом частотном канале обработки независимо от наличия сигнала.

Основными недостатками указанных способов, наличие которых существенным образом ограничивает возможность их использования для решения задачи адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами, являются следующие.

1. Указанные способы основаны на оценивании совокупной мощности помех и использовании данной оценки при вычислении порога обнаружения, обеспечивающего заданную вероятность ложной тревоги. Однако аддитивная смесь шума и помех в общем случае не подчиняется гауссовскому закону распределения с нулевым средним, а, следовательно, реализуемая указанными способами оценка совокупной мощности не является определяющим параметром распределения смеси шума и помех. По этой причине в реальных условиях ведения радиомониторинга возможно ухудшение характеристик обнаружения при использовании указанных способов, в значительной степени зависящее от отношения помеха/шум и количества помех.

2. Указанные способы основаны на использовании оценочно-компенсационного канала, в котором реализуется измерение среднего значения мощности совокупных помех (т.е. помех и шума); компенсация помех сводится к вычитанию из энергии принятой реализации смеси сигнала, шума и помех измеренного значения мощности совокупных помех. Следует учесть, что энергия входной реализации содержит аддитивные составляющие, представляющие собой значения интеграла от произведения сигнала и помехи, сигнала и шума, помехи и шума. Можно полагать, что значения данных интегралов с увеличением времени интегрирования асимптотически стремятся к нулю. Однако при конечных интервалах времени взятия выборки полностью игнорировать наличие данных составляющих не представляется целесообразным, ввиду чего степень достижения компенсации совокупных помех указанными способами в реальных условиях будет в общем случае хуже заявленной.

3. Также следует обозначить, что измеренное значение совокупной мощности помех коррелировано с энергией смеси сигнала, шума и помех, что может являться дополнительным фактором ухудшения степени достижения компенсации совокупных помех указанными способами в реальных условиях.

4. Как указывалось, ранее, большинство современных систем радиомониторинга имеют несколько пространственно разнесенных каналов приема. Именно пространственно-разнесенный радиоприем обеспечивает новые возможности по обнаружению сигналов. Несмотря на отсутствие априорной информации о форме (законах амплитудной и фазовой модуляции) сигнала источника радиоизлучения, возможность пространственно разнесенного приема сигналов позволяет учесть дополнительное различие сигналов и помех: сигнальная составляющая характеризует распределение амплитуды и фазы поля принимаемой радиоволны по раскрыву многоканальной приемной антенной системы, а шумовая составляющая не имеет данного представления и ее компоненты в пространственно разнесенных пунктах приема имеют случайные амплитуды и фазы, не обусловленные падением некоторой радиоволны с плоским волновым фронтом.

Но известные способы многоканального обнаружения не обеспечивают в полном объеме учета описанных выше преимуществ пространственно-многоканальной системы радиоприема, в результате чего в ряде случаев (в особенности при малых отношения сигнал/шум, близких к уровню предельной чувствительности системы радиомониторинга) могут не обеспечить требуемые показатели эффективности обнаружения радиосигналов.

Обозначенные замечания применительно к рассматриваемой задаче адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами имеют принципиальный характер, что не позволяет их использовать для решения обозначенной задачи.

Известен также способ многоканального энергетического обнаружения радиосигналов неизвестной формы, предложенный в [10], учитывающий возможности многоканального пространственно-разнесенного приема и заключающийся в следующем.

1. Многократный последовательный во времени синхронный прием сигналов во временной области (одновременно попадающих в текущую полосу приема и анализа) с выходов всех антенн антенной решетки (АР) в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора (ОП), синхронный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование сигналов во временной области в цифровую форму, вычисление отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора.

2. По каждому спектральному отчету вычисление решающей статистики обнаружения

и сравнение статистики с порогом обнаружения,

, ,

где

– выборочная эрмитовая матрица взаимных энергий, накопленная по временным реализациям:

– комплексный отсчет (с порядковым номером

,

) быстрого преобразования Фурье m-й временной реализации, принятой в q-м,

пространственном канале обнаружителя-пеленгатора (совпадающий с номером антенны АС, подключенной ко входу канала);

– матрица коэффициентов корреляции шума в различных пространственных каналах ОП;

– оператор эрмитова сопряжения матрицы;

– оператор следа матрицы,

– пороговый уровень обнаружения, не зависящий от неизвестных параметров шума и помех, вычисляемый в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающий требуемую постоянную вероятность ложной тревоги.

3. По результатам сравнения решающей статистики обнаружения с порогом принимают решение о наличии или отсутствии радиосигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ [11], используемый в качестве способа-прототипа.

Способ-прототип включает следующие операции.

1. Многократный последовательный во времени синхронный (когерентный) прием временных реализаций с выходов всех антенн многоканальной антенной системы (АС) в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), когерентный перенос (гетеродинирование) на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора.

2. Вычисление по каждому спектральному отчету канальных и взаимных (межканальных) энергий отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой из принятых временных реализаций и накопление энергий путем суммирования их значений, вычисленных по каждой из принятых временных реализаций, и формирование по каждому спектральному отсчету нормированной матрицы

взаимных энергий, равной произведению

накопленной матрицы

взаимных энергий и матрицы

, обратной к матрице корреляции

аддитивного шума,

где

;

– матрица взаимных энергий сигналов, «накопленная» по серии из

временных реализаций, с элементами

,

– комплексный отсчет (с порядковым номером

,

) быстрого преобразования Фурье m-й временной реализации, принятой в q1-м пространственном канале обнаружителя-пеленгатора (совпадающий с номером антенны АС, подключенной ко входу канала);

– порядковые номера пространственных каналов обнаружителя-пеленгатора,

;

m – порядковый номер временной реализации,

;

– матрица коэффициентов межканальной корреляции аддитивного шума (при отсутствии корреляции шума матрица является диагональной единичной).

3. Формирование по каждому спектральному отсчету решающей статистики обнаружения (1), представляющей собой отношение следа (суммы диагональных элементов) от квадрата нормированной матрицы взаимных энергий к квадрату следа данной матрицы:

. (1)

4. По каждому спектральному отсчету сравнение решающей статистики (1) с пороговым уровнем обнаружения, вычисляемым в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающим требуемую постоянную вероятность ложной тревоги; принятие решения об обнаружении сигнала в случае превышения статистикой порогового уровня.

Среди преимуществ способа-прототипа можно отметить следующие:

- решающая статистика предлагаемого способа инвариантна к структуре и характеристикам направленности антенных элементов многоканальной антенной системы радиомониторинга;

- способ не предполагает нахождения оценки направления прихода радиоволны до принятия решения о справедливой гипотезе, что повышает быстродействие системы радиомониторинга в целом;

- способ работоспособен в условиях пространственно-коррелированных помех.

Основными недостатками способа-прототипа, ограничивающими возможность его непосредственного применения для решения поставленной задачи адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами, являются следующие.

1. Для реализации способа в условиях пространственно-коррелированных помех необходимо использовать априорную информацию о величинах матрицы коэффициентов корреляции шума и помех, которая применительно к рассматриваемой задаче в большинстве случаев может быть неизвестна.

2. Использование оценки матрицы коэффициентов корреляции путем ее прямой подстановки в выражение для решающей статистики не является корректной процедурой в рамках теории статистической радиотехники и может привести к пропускам сигнала и ложным обнаружениям в условиях воздействия помех с неизвестными параметрами.

3. Динамичность электромагнитной обстановки определяет необходимость реализации динамической адаптации порога обнаружения к параметрам обстановки. При этом необходимо реализовать специализированную процедуру адаптации решающей статистики не только к уровням помех, но и их характеристикам, что не предусматривает способ-прототип.

Следует особо отметить, что при коротких временных интервалах адаптации с накоплением данных для оценивания коэффициентов корреляции шума и помех, такие оценки могут являться статистически неустойчивыми. Их применение при вычислении выражения для решающей статистики обнаружения вместо истинных значений коэффициентов корреляции шума и помех приведет в общем случае к трудно прогнозируемому ухудшению показателей эффективности обнаружения.

Ввиду этого целесообразным и математически корректным (в рамках теории статистической радиотехники) представляется совместная обработка наблюдаемых данных на интервалах адаптации и обнаружения, позволяющая учитывать характеристики шума и помех без выполнения промежуточного оценивания их характеристик.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение эффективности многоканального обнаружения радиосигнала на фоне шума и помех с неизвестными параметрами, заключающееся в стабилизации вероятности ложной тревоги и повышении вероятности правильного обнаружения сигналов.

Для решения поставленной задачи в способе адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами, заключающемся в многократном последовательном во времени синхронном, т.е. когерентном приеме временных реализаций с выходов всех антенн многоканальной антенной системы (АС) в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), когерентный перенос (гетеродинирование) на более низкую частоту, синхронном преобразовании временных реализаций в цифровую форму, вычислении отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора, формировании по каждому спектральному отчету решающей статистики обнаружения

, сравнении решающей статистики с пороговым уровнем обнаружения

,

– пороговый уровень обнаружения, не зависящий от неизвестных параметров шума и помех, вычисляемый в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающий требуемую постоянную вероятность ложной тревоги; принятии решения об обнаружении сигнала в случае превышения статистикой порогового уровня, согласно изобретению , прием временных реализаций выполняют на двух этапах: этапе адаптации и этапе обнаружения, на этапе адаптации производят многократный последовательный во времени синхронный, когерентный, прием временных реализаций с выходов всех антенн многоканальной АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема–анализа, когерентный перенос–гетеродинирование, на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора, формируют совокупность векторов

, где

– комплексный отсчет (с порядковым номером

,

) быстрого преобразования Фурье n-й временной реализации, принятой в q-м,

пространственном канале обнаружителя-пеленгатора на этапе адаптации;

nb – порядковый номер спектрального отсчета быстрого преобразования Фурье,

;

n – порядковый номер временной реализации на этапе адаптации сигнала,

;

q – порядковый номер пространственного канала ОП,

;

из отсчетов, полученных на этапе обнаружения, формируют массив

, где

– комплексный отсчет (с порядковым номером

,

пространственном канале обнаружителя-пеленгатора на этапе обнаружения;

m – порядковый номер временной реализации на этапе обнаружения,

;

формируют по каждому спектральному отчету с порядковым номером nb решающую статистику обнаружения

по формуле:

,

где A, B, C имеют вид:

,

в случае если условие

не выполняется для одной и той же спектральной компоненты более

раз подряд (где

определяется исходя из требуемых показателей эффективности обнаружения), то совокупность векторов

обновляется таким образом, что исключаются K векторов, соответствующих самым ранним K моментам времени обнаружения, порядковые номера оставшихся векторов сдвигают на величину K, после чего последними по порядковым номерам K векторам используют упорядоченные по времени K новых векторов.

Предлагаемый способ обнаружения радиосигналов на фоне внутреннего шума радиоприемного тракта и внешних помех с неизвестными параметрами включает выполнение следующих процедур.

1. На интервале времени адаптации: многократный последовательный во времени синхронный (когерентный) прием временных реализаций с выходов всех антенн многоканальной антенной системы в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), когерентный перенос (гетеродинирование) на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора. По результатам работы формируются векторы

, где

nb – порядковый номер спектрального отсчета БПФ,

;

n – порядковый номер временной реализации на этапе адаптации,

;

.

2. На интервале времени обнаружения.

2.1 Многократный последовательный во времени синхронный (когерентный) прием временных реализаций с выходов всех антенн многоканальной антенной системы в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), когерентный перенос (гетеродинирование) на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора. По результатам работы формируются векторы

, где

;

.

2.2 По каждому спектральному отчету вычисление решающей статистики обнаружения

(2)

где A, B, C имеют вид:

2.3 Сравнение решающей статистики

с порогом обнаружения

, в соответствии с неравенством:

. (3)

По результатам выполнения условия (3) принимают решение о наличии или отсутствии радиосигнала, где

2.4 В случае, если условие (3) не выполняется для одной и той же спектральной компоненты более

раз подряд (где

Обновление массива спектральных компонент этапа адаптации согласно п. 2.4 описания предлагаемого способа, позволяет фактически непрерывно, в масштабе времени близком к реальному, учитывать изменение электромагнитной обстановки, что повышает вероятность правильного обнаружения сигнала на фоне шума и помех с неизвестными параметрами.

Предлагаемый способ обнаружения радиосигналов на фоне внутреннего шума радиоприемного тракта и внешних помех с неизвестными параметрами лишен перечисленных выше недостатков всех указанных аналогов и способа-прототипа, а именно:

Реализуемый в предлагаемом способе пространственно-разнесенный радиоприем обеспечивает новые возможности по обнаружению сигналов. Несмотря на отсутствие априорной информации о форме (законах амплитудной и фазовой модуляции) сигнала источника радиоизлучения, способ основан на использовании пространственно разнесенного приема сигналов, что позволяет учесть дополнительное различие сигналов и помех: сигнальная составляющая характеризует распределение амплитуды и фазы поля принимаемой радиоволны по раскрыву многоканальной приемной антенной системы, а шумовая составляющая не имеет данного представления, и ее компоненты в пространственно разнесенных пунктах приема имеют случайные амплитуды и фазы, не обусловленные падением некоторой радиоволны с плоским волновым фронтом.

Способ обеспечивает учет описанных выше преимуществ пространственно-многоканальной системы радиоприема, в результате чего в ряде случаев, характерных для реальных условий ведения радиомониторинга (в особенности, при малых отношения сигнал/шум, близких к уровню предельной чувствительности системы радиомониторинга) с помощью предлагаемого способа становится возможным обеспечение требуемых показателей эффективности обнаружения радиосигналов.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность автоматизированной динамической адаптации решающей статистики обнаружении к априорно неизвестным уровням шума и помех. Описанная в предлагаемом способе процедура обновления массива данных этапа адаптации обеспечивает динамическое изменение данных в соответствии с изменениями электромагнитной обстановки и не предполагает реализации дополнительного непосредственного контроля за изменением параметров обстановки. Данное преимущество способа относительно указанных выше аналогов и прототипа является качественным и позволяет стабилизировать вероятность ложной тревоги в условиях шума и помех с неизвестными параметрами.

Вместо оценивания неизвестных параметров наблюдаемых данных на этапе адаптации и использовании полученных оценок в качестве истинных значений параметров на этапе обнаружения, предлагаемый способ основан на использовании совместной обработки данных, полученных на обоих этапах. В результате чего способ позволяет преодолеть имеющиеся на практике априорную неопределенность относительно параметров сигнально-помеховой обстановки и обеспечить более высокие (по сравнению с классическим энергетическим обнаружителем) показатели эффективности обнаружения радиосигналов в условиях реальной насыщенной электромагнитной обстановки.

Предлагаемый способ обнаружения не требует отсутствующей в большинстве практических ситуаций при решении задач радиомониторинга информации о значении параметров обнаруживаемого радиосигнала, а также шума и помех, в том числе: интенсивности шума, количестве помех, их комплексных амплитудах, законе и параметрах модуляции обнаруживаемого радиосигнала.

Повышение вероятности правильного обнаружения предлагаемым способом относительно энергетического обнаружения осуществляется в результате накопления не только энергий, но и модулей комплексных амплитуд принимаемых радиосигналов на интервалах адаптации и обнаружения. Это позволяет использовать информацию об ориентации векторов наблюдаемых данных на обоих этапах в многомерном евклидовом пространстве, в полной мере использовать имеющиеся возможности по адаптации с повышением потенциально достижимых показателей эффективности обнаружения. Это свойство предлагаемого способа определяет его преимущество относительно энергетического обнаружителя в части эффективности обнаружения радиосигналов не только в количественном (по величинам показателей эффективности обнаружения), но и в качественном отношении (по совокупности функциональных операций обработки наблюдаемых данных, обеспечивающих высокую устойчивость способа в реальных условиях функционирования систем радиомониторинга при воздействии различных дестабилизирующих факторов).

Решающая статистика предлагаемого способа инвариантна к структуре и характеристикам направленности антенных элементов многоканальной антенной системы радиомониторинга.

Способ не предполагает нахождения оценки направления прихода радиоволны до принятия решения о справедливой гипотезе, что повышает быстродействие системы радиомониторинга в целом.

Схема устройства для реализации предлагаемого способа представлена на фиг.1, где обозначено:

1 – блок этапа адаптации,

2 – блок этапа обнаружения.

Блок этапа адаптации включает:

1.1 – блок приема временных реализаций и переноса на более низкую частоту;

1.2 – блок оцифровки временных реализаций;

1.3 – блок вычисления преобразования Фурье временных реализаций;

1.4 – блок хранения данных;

Блок этапа обнаружения включает:

2.1 – блок приема временных реализаций и переноса на более низкую частоту;

2.2 – блок оцифровки временных реализаций;

2.3 – блок вычисления преобразования Фурье временных реализаций;

2.4 – блок вычисления решающей статистики;

2.5 – блок сравнения решающей статистики с порогом.

Устройство содержит блок этапа адаптации 1, состоящий из последовательно соединенных блока приема временных реализаций и переноса на более низкую частоту 1.1, блока оцифровки временных реализаций 1.2, блока вычисления преобразования Фурье временных реализаций 1.3 и блока хранения данных 1.4, выход которого является выходом блока этапа адаптации 1. Блок этапа обнаружения 2 содержит последовательно соединенные блок приема временных реализаций и переноса на более низкую частоту 2.2, блок оцифровки временных реализаций 2.2, блок вычисления преобразования Фурье временных реализаций 2.3, блок вычисления решающей статистики 2.4 и блок сравнения решающей статистики с порогом 2.5, выход которого является выходом блока этапа обнаружения 2 и выходом устройства. При этом выход блока этапа адаптации 1соединен со вторым входом блока вычисления решающей статистики 2.4.

Устройство для реализации заявляемого способа работает следующим образом.

На этапе адаптации блок 1 осуществляет многократный последовательный во времени прием временных реализаций с выходов всех антенн АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование принятых временных реализаций в цифровую форму, для каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора происходит вычисление отсчетов преобразования Фурье

.

В блоке 1.4 хранится массив

,

где nb – порядковый номер спектрального отсчета БПФ,

;

.

На этапе обнаружения блок 2.1 осуществляет прием временных реализаций с выходов всех антенн АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование принятых временных реализаций в цифровую форму, для каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора происходит вычисление отсчетов преобразования Фурье

, формируется вектор

Далее в блоке 2.4 формируется решающая статистика согласно формуле (2):

где A, B, C имеют вид:

,

.

В блоке 2.5 значение решающей статистики проверяется согласно условию (3):

.

В случае, если условие (3) не выполняется для одной и той же спектральной компоненты более

раз подряд (где

(блок 1.4) обновляется таким образом, что исключаются K векторов, соответствующих самым ранним K моментам времени обнаружения, порядковые номера оставшихся векторов сдвигают на величину K, после чего последними по порядковым номерам K векторам используют упорядоченные по времени K новых векторов.

Результаты статистического моделирования предлагаемого способа адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами.

В пакете моделирования Matlab R-2012a было произведено моделирование предлагаемого способа и анализ его статистических характеристик. В ходе моделирования в каждом статистическом эксперименте имитировался синхронный прием радиосигналов обнаружителем-пеленгатором с семиэлементной антенной решеткой. Число статистических испытаний выбиралось равным 10⁶. В каждом статистическом эксперименте формировался комплексный отсчет в виде суммы гауссовского шума и помехи с фиксированной амплитудой и случайной начальной фазой в каждом из N временных кадров на этапе времени адаптации. Обнаружение проводилось по одному временному кадру,

. По одинаковым исходным данным вычислялись величины, соответствующие решающим статистикам способов.

Результаты моделирования представлены на фигурах 2 – 3.

На фигуре 2 представлены зависимости вероятности ложной тревоги от порога обнаружения при различном количестве каналов ОП (кривая 1 – Q=1, кривая 2– Q=2, кривая 3– Q=3, кривая 4–Q=5, кривая 5–Q=7).

На фигуре 3 приведены зависимости вероятности правильного обнаружения сигнала от отношения сигнал/шум при различном количестве каналов ОП (кривая 1 – Q=1, кривая 2– Q=2, кривая 3– Q=3, кривая 4–Q=5, кривая 5–Q=7).

Исходя из зависимостей можно сделать вывод, что с увеличением количества каналов ОП вероятность правильного обнаружения, при фиксированном уровне ложной тревоги 10^-3, увеличивается.

На фигурe 4 представлены зависимости вероятности ложной тревоги обнаружения от порога обнаружения при различном количестве каналов ОП в условиях наличия помехового сигнала (кривая 1 – Q=1, кривая 2– Q=2, кривая 3– Q=3, кривая 4–Q=5, кривая 5–Q=7) при отношении помеха/шум, равном 20 дБ.

На фигуре 5 приведены зависимости вероятности правильного обнаружения сигнала от отношения сигнал/шум при различном количестве каналов ОП при наличии помехового сигнала (кривая 1 – Q=1, кривая 2– Q=2, кривая 3– Q=3, кривая 4–Q=5, кривая 5–Q=7).

На фигуре 6 приведены зависимости уровня nb-го спектрального отсчета обнаруживаемого сигнала U, дБ и значения решающей статистики предлагаемого способа обнаружения

при различных значениях отношения сигнал/шум: «минус» 100 дБ (а), 0 дБ (б), 10 дБ (в), 20 дБ (г), 30 дБ (д) (значение отношения помеха/шум равно 20 дБ).

Из представленных зависимостей видно, что предлагаемый способ адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами обеспечивает адаптивное многоканальное обнаружение сигналов в условиях шума и помех с неизвестными параметрами со стабилизацией вероятности ложной тревоги и динамической адаптацией решающей статистики обнаружения к изменяющимся параметрам сигнально-помеховой обстановки. Выигрыш в показателях эффективности предлагаемого способа относительно прототипа увеличивается с ростом количества каналов ОП.

Предлагаемый способ справедлив для АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, в результате чего обеспечивается инвариантность решающей статистики способа к изменению соотношений уровней сигналов в каналах, в том числе обусловленных взаимными влияниями в антенной системе. Способ предполагает вычисление канальных и взаимных спектральных энергий напряжений, «накопленных» по серии измерений, для всех пар пространственных каналов ОП [13]. Решающее правило данного способа обнаружения является адаптивным к неизвестным интенсивностям аддитивного шума приемных каналов и справедливо для АС ОП с произвольной структурой и характеристиками антенных элементов. Заявляемый способ позволяет стабилизировать вероятность ложной тревоги в условиях шума и помех с неизвестными параметрами и обеспечить динамическую адаптацию решающей статистики обнаружения к изменяющимся параметрам сигнально-помеховой обстановки.

Технический результат – повышение вероятности правильного обнаружения сигнала при фиксированной вероятности ложной тревоги, за счет совместной обработки данных, принимаемых на этапах адаптации и обнаружения. Это позволяет выполнять адаптивное к априорно неизвестным параметрам шума и помех обнаружение радиосигнала с фиксированной вероятностью ложной тревоги.

Технический результат достигается за счет введения дополнительных этапов при обнаружении радиосигнала (этап адаптации), обеспечивающих учет параметров распределения наблюдаемых данных в случае приема радиосигнала на фоне шума и помех с неизвестными параметрами.

Список используемой литературы

1. Статистическая радиотехника / В.И. Тихонов. - М.: Советское радио, 1966. - 678 с.

2. Теоретические основы статистической радиотехники / Б.Р. Левин. - М.: Радио и связь, 1989. - 656 с.

3. Urkowitz H. Energy Detection of Unknown Deterministic signals // Proc. IEEE. – 1967. – vol. 55. – pp. 523 – 531.

4. А. П. Трифонов, В. И. Костылев Энергетическое обнаружение узкополосных радиосигналов на фоне шума неизвестной интенсивности // Известия ВУЗов. Радиофизика. – 2002. – Т.45, №6. – С. 538-547.

5. В.И. Борисов [и др.] Помехозащищенность систем радиосвязи с расширение спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. - М.: Радио и связь, 2000.

6. В.И. Борисов [и др.] Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении систем радиосвязи. - М.: Радиософт, 2008.

7. А.А. Болдырев, В.И. Владимиров, А.А. Бубеньщиков Оценочно-корреляционно-компенсационное обнаружение сигналов с неизвестной формой на фоне гауссовского шума с неизвестной интенсивностью. Информационно-измерительные управляющие системы, №5, т.16, 2018 г., с. 18-25.

8. В.В. Исаев, А.В. Немчилов, Ю.А. Лущик, А.А. Бубеньщиков, А.В. Бубеньщиков, В.В. Ильич, С.В. Сиденко Цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в ральном масштабе времени. Патент РФ №2472167, 2013 г.

9. В.И. Владимиров, А.А. Бубеньщиков, А.В. Бубеньщиков, С.В. Сиденко Одновременное измерение мощности сигнала и мощности шума (помехи) в полосе пропускания основного канала радиоприема // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2012. №7. С. 67-73.

10. А.А. Бубеньщиков, А.В. Бубеньщиков, В.И. Владимиров, И.В. Владимиров Цифровой обнаружитель радиосигналов в условиях шума неизвестной интенсивности. Патент РФ 2563889, 2014 г.

11. М.П. Сличенко Многоканальный энергетический обнаружитель неизвестных квазидетерминированных радиосигналов / Теория и техника радиосвязи №3, 2014 г.

12. М.Л. Артемов, О.В. Афанасьев, Е.Л. Абрамова. М.П. Сличенко Способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения. Патент РФ № 2696022, 2019 г.

13. М.Л. Артемов, О.В. Афанасьев, Е.С. Артемова, М.П. Сличенко Способ повышения точности и достоверности пеленгования при накоплении спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения. Патент РФ № 2696094, 2019 г.

Claims

Способ адаптивного многоканального обнаружения радиосигналов в условиях помех с неизвестными параметрами, заключающийся в многократном последовательном во времени синхронном, т.е. когерентном приеме временных реализаций с выходов всех антенн многоканальной антенной системы (АС) в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема–анализа, когерентный перенос–гетеродинирование, на более низкую частоту, синхронном преобразовании временных реализаций в цифровую форму, вычислении отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора, формировании по каждому спектральному отчету решающей статистики обнаружения
, сравнении решающей статистики с пороговым уровнем обнаружения
,
– пороговый уровень обнаружения, не зависящий от неизвестных параметров шума и помех, вычисляемый в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающий требуемую постоянную вероятность ложной тревоги; принятии решения об обнаружении сигнала в случае превышения статистикой порогового уровня, отличающийся тем, что прием временных реализаций выполняют на двух этапах: этапе адаптации и этапе обнаружения, на этапе адаптации производят многократный последовательный во времени синхронный, когерентный, прием временных реализаций с выходов всех антенн многоканальной АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема–анализа, когерентный перенос–гетеродинирование, на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора, формируют совокупность векторов
, где
– комплексный отсчет с порядковым номером
,
быстрого преобразования Фурье n-й временной реализации, принятой в q-м,
пространственном канале обнаружителя-пеленгатора на этапе адаптации;
nb – порядковый номер спектрального отсчета быстрого преобразования Фурье,
;
n – порядковый номер временной реализации на этапе адаптации сигнала,
;
q – порядковый номер пространственного канала ОП,
;
из отсчетов, полученных на этапе обнаружения, формируют массив
, где
– комплексный отсчет с порядковым номером
,
быстрого преобразования Фурье m-й временной реализации, принятой в q-м,
пространственном канале обнаружителя-пеленгатора на этапе обнаружения;
m – порядковый номер временной реализации на этапе обнаружения,
;
формируют по каждому спектральному отчету с порядковым номером nb решающую статистику обнаружения
по формуле:
,
где A, B, C имеют вид:
,
,
,
,
в случае если условие
не выполняется для одной и той же спектральной компоненты более
раз подряд, где
определяется исходя из требуемых показателей эффективности обнаружения, то совокупность векторов
обновляется таким образом, что исключаются K векторов, соответствующих самым ранним K моментам времени обнаружения, порядковые номера оставшихся векторов сдвигают на величину K, после чего последними по порядковым номерам K векторам используют упорядоченные по времени K новых векторов.